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工程管理前沿【2020年第20期】

  • ID:273376
  • 浏览:5052
  • 学科:工程地质学
  • 更新时间:2020-10-15 16:48:05
  • 期刊: 工程管理前沿
内容简介
《工程管理前沿》杂志是由中国工程院主管,中国工程院、清华大学、高等教育出版社主办的建筑期刊。国际标准刊号:2095-7513,国内统一刊号:CN10-1205/N。《工程管理前沿》的办刊宗旨:依托建设领域高层权威信息背景,旨在做好政府领导决策的重要参谋;成为政策理论探讨的前沿阵地,积极探索和引导建设事业发展方向和改革实践;提供重大事件权威报道,深度阐释焦点话题,纵深调查热点事件,努力追求权威性、建设性、实用性和可读性风格;努力做大媒介传播平台,真诚为建设企事业单位服务,为中国建设事业和城市化发展服务,为广大读者开启一个探求知识的窗口。

浅谈GPS测量误差及精度控制测量

2020-10-16 09:07:52 工程地质学 吉振昊
资料简介

摘要:本文从GPS测量的角度出发,以地面接收设备、卫星、信号传播为研究对象,深入分析信号在传播的过程中所受到的干扰,分析误差产生的原因,并据此给出相应的解决措施。

浅谈 GPS 测量误差及精度控制测量

吉振昊

(广西邦运公科技有限公司 广西南宁 530016)


摘要:本文从GPS测量的角度出发,以地面接收设备、卫星、信号传播为研究对象,深入分析信号在传播的过程中所受到的干扰,分析误差产生的原因,并据此给出相应的解决措施。

关键词:GPS测量;测量误差;精度控制

引言

近年来,随着我国科技水平的提高,各个行业涌现出的高科技技术不断增加,GPS技术作为一种全球性的应用技术,其自身的应用范围十分广泛,涉及到各个行业领域内,包括航空航天、测量测绘、汽车导航、地理绘图等等。但是在实际的应用过程中,GPS技术的测量还存在这一定程度的误差,这种误差产生的原因十分复杂,在一些精密测量的领域内,这种误差严重影响使用效果。所谓的GPS测量就是指通过设置在地面的接收设备来接收卫星所传输的信号,计算同一时刻的地面接收设备与多个卫星之间的距离。最后通过计算测量出地面目标点的三维空间坐标。所以说,在地面设备、卫星、以及信号传播的过程中,一系列的环节都会对GPS测量的结果产生影响,导致误差的产生。

1 关于GPS测量

GPS即全球定位系统是一种始于美国的卫星导航系统,GPS是可以进行全球性、全天候以及连续性的进行卫星定位、导航、测速以及定时的系统。GPS系统可以为全球任何一个用户提供一个全天候、连续的以及高精度的三维坐标、速度、时间等技术参数。GPS系统主要由三大部分组成:

(1)空间卫星:组成GPS系统的核心是位于地面2.02万千米高的24颗卫星群组成,并且这24颗卫星均匀的分布在6个固定的轨道上,各个平面之间的交角均为60度。卫星的基本轨道与地球的赤道之间的倾角为55度,卫星在轨道上的运行周期为11小时58分,这样的参数设置可以保证在任何时间任何地点以及地平线上。至少能够收到4颗卫星发送的信号。

(2)地面控制系统:地面上的控制系统主要由三个部分组成,包括主控站、3个注入站以及5个监测站。主控站在这里的作用主要是根据监控站收集的数据,计算卫星的星历与卫星时钟改正参数,然后将参数通过注入站进行注入。注入站就是将主控站的参数提供给卫星。监控站主要是收集卫星提供的数据并检测卫星的工作状态。

(3)用户终端:用户部分的构成主要是GPS接收机、数据处理软件以及相应的用户设备等。用户终端的作用就是接收GPS卫星发射的信号、利用信号进行导航定位。尤其在测绘领域,GPS的应用越来越广泛。

2 GPS误差来源分析

GPS测量误差按其生产源可分三大部分:GPS信号的自身误差,包括轨道误差(星历误差)和SA,AS影响;GPS信号的传输误差,包括太阳光压,电离层延迟,对流层延迟,多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳;GPS接收机的误差,主要包括钟误差,通道间的偏差,锁相环延迟,码跟踪环偏差,天线相位中心偏差等。

2.1轨道误差

有关部门提供一定精度的卫星轨道,以广播星历形式发播给用户使用,从而即可知观测瞬间所观测的卫星位置,所以轨道误差即星历误差。同时卫星星历误差又等效于伪距误差,卫星的星历是由其地面的监测站跟踪GPS卫星来求定的,由于地面的监测站测定的误差和卫星在空中受到的摄动力等多重的影响,从而使得其测定的卫星轨道会有一定的误差,卫星的星历都是地面的监测站根据卫星轨道所推算出来的,使得卫星的星历所提供的卫星位置和实际的位置之间会有一定的偏差:现代GPS技术中,卫星星历误差的等效伪距为4.2M,但是美国方面的SA和AS政策人为的降低导航定位,使点位误差明显增大,有时可达100M。卫星星历误差是GPS测量重要的误差来源,如果定位的精度要求小于1ppm时,可以忽略较小的轨道误差。

2.2信号传播误差

(1)电离层产生的误差:信号在传播的过程中引起延迟的原因是电离层。其主要是和沿用卫星与用户使用的接收机视线方向所呈现出来的电子密度有关,接收视线方向如果处于垂直视线,那么所体现出来的延迟值在夜间平均可以达到三米,在白天的时候延迟值可以达到十五米,然而在低仰视角度情况中,所出现的延迟值分别是九米和四十五米.并且在反常时期所出现的延迟值还会进一步增加。

(2)对流层产生的误差:出现对流层延迟的原因,主要是电磁波信号在通过对流层的时候,其传播速度和真空中光的传播速度不同所引起的。其中又分为干大气分量和湿大气分量。在低仰角的时候其能够达到20米,其中干大气分量大概占有80%至90%。这点能够利用模型将其大部分进行改正,大气分量所占用的数值虽然不大,但是它随着纬度和高度出现的变化,而随之变化:在实践中对于空气中的水汽与干气非常的难以预测,因此在实践当中进行大气测试,通常都是干气和湿气两者融合在一起的数值,所以对于准确性就显得难以做出有效的判断依据。

(3)多路径误差:有时GPS信号并不能直接射至GPS信号接收天线,而是先射至物体,经过反射才到达GPS接收天线,从而会对GPS信号直接射至接收天线的直线波产生于扰。多路径误差的强度根据情况不同会有所差异,主要差异原因在于用户GPS信号接收天线的抗干扰能力以及反射信号的强弱。为了防止多路径误差可在用户天线附近设置仰径板,当天线长度在1-2M时,可采用直径为40CM的仰径板,这样可以有效的避免多路径误差。

2.3地面接收设备产生的误差

根据经验,一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。故知道载波相位的分辨误差比码相位不小,由于此项误差属于偶然误差,可适当地增加观测量,将会明显地减弱其影响。另一方面与GPS信号接收天线的定位精确度有关;其次就是信号接收天线中心位置的偏差,由于信号在传至接收天线时会出现时强时弱的现象,导致天线的相位中心发生改变,不能与其几何中心重合,使得测量出现误差;最后是接收机时钟误差,通常GPS信号接收机内部时钟都选用石英晶体振荡器,稳定度变化范围为1×10-6~5×10-6,由于卫星时钟与地面信号接收机时钟在同步性上出现差距,哪怕是一点差距都会造成很大的等效距离误差,严重影响测量的准确度。

3 GPS精度控制测量

3.1信号传播精度控制

为了减弱电离层的影响,在GPS定位中通常采用下面措施:(1)利用电离层模型加以修正。对于单频GPS接收机,为了减弱电离层的影响,一般是采用导航电文提供的电离层模型,或其它适合的电离层模型对观测量加以修正,但是这种模型至今仍在完善之中,目前模型改正的有效率约为75%。(2)利用同步观测值求差。这一方法是利用两台或多台接收机,对同一卫星的同步观测的求差,以减弱电离层折射的影响,尤其当观测站间的距离较近时(<20公里),由于卫星信号到达各观测站的路径相近,所经过的介质状况相似,因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差,便可显著的减弱电离层折射影响,其残差将不会超过0.000001。对于单频GPS接收机而言,这种方法的重要意义尤为明显。

3.2地面接收精度控制

首先是观测误差的精度控制,一般来说ROCK4光压摄动模型、多项式光压模型、标准光压模型这三种太阳光压改正模型的应用都能够满足1m定轨的需求。其次是接收机钟精确度控制,对于单点定位,要把钟差带入方程中进行求解;对于载波相位相对定位,要采用观测值求差法;对于高精度定位,要采用外接频标的方法。最后是天线中心位置误差精度控制,要求在设计天线时天线盘上指定方向为北方,在相对定位时采用求差法来减少相位中心偏差的误差影响。

4 结语

综上所述,导致GPS测量误差的原因主要来自卫星、卫星信息传播以及地面接收设备三个方面,该文通过对导致误差形成的原因进行详尽的分析,并据此提出了减少这些误差的相关对策,以期进一步提高测量的精度,最大程度确保GPS导航定位的准确性。

参考文献:

[1]李作开.GPS测量的误差及精度控制.智能应用,2015(09):059-060.

[2]李成泉.GPS测量的误差及精度控制.问题探讨,2010(04):081-082.

[3]王婷婷.GPS测量误差分析及其控制.电子工程,2008(03):020-022.